[发明专利]一种天然河流中泥沙浓度级配原位实时测量装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于环境原位监测技术领域，特别涉及一种天然河流中泥沙浓度级配原位实时测量装置。

背景技术

天然河流中的悬浮于水中的泥沙浓度与级配是河流的重要水文与环境参数。天然河流中悬浮泥沙颗粒的粒径大多在0.2mm以下，目前已有采样分析法、光学检测法、声学检测法和图像类方法等多种方法获得泥沙浓度或者泥沙级配。

采样分析法是一种传统方法，利用采样器直接从河流中采集水样，在分析室中进行浓度和级配的分析。该方法测量精度高，但需要专门的设备，测量效率受人力物力的制约，无法实现实时原位测量，不易掌握泥沙输移的时空变化规律。

光学检测方法采用光学手段测量天然河流水流中的含沙浓度与级配，大致可分为透射法、浊度法、光学反向散射法(optical backscatter，OBS)和激光衍射法(Laser diffraction)。

透射法、浊度法和光学反向散射法的原理基本相同，只是传感器的安装位置有所差异。这三种方法的主要原理是利用水中颗粒物对光的散射作用获知颗粒物的数量信息。这三种方法的仪器自带光源和散射传感器，光源多使用红外光，提供稳定光束穿过待测水体。散射传感器固定在与光束传播方向成一大角度的位置上(140°-165°)时，称为OBS；安装在与光束垂直的位置时，称为浊度计；当散射传感器正对光束时，称为透射计。光束遇见颗粒物时会产生散射，部分光束的传播方向会改变并进入散射传感器。确定散射光强度与泥沙浓度的关系后，即可根据传感器所得数据实时测量河流水体中的泥沙浓度。透射法、浊度法、光学反向散射法仅能得到泥沙浓度，不能得到泥沙级配。同时，由于不同基质、粒径和颜色的泥沙颗粒对光的散射性能存在很大差异，所以在相同泥沙浓度的情况下，散射传感器接受到的光强会差异很大，透射法、浊度法、光学反向散射法的准确性较低。

激光衍射法的基本原理是利用光经过固体颗粒边缘时发生衍射来测量泥沙颗粒的大小。光经过固体颗粒边缘时，有一部分光会绕过固体颗粒并偏离原方向继续传播，颗粒越小，偏离角度越大。在光的波长与颗粒直径相比很小时，光在圆形边缘的衍射可用Fraunhoff理论描述。因此只需测量光经过颗粒后的偏离角度，就能通过理论算出与颗粒等效的圆球直径。激光衍射法的设备基本布置方式是使用单色激光作为光源，穿透数毫米到数厘米的待测水体，在测量水体后布置傅里叶透镜，并在透镜的后焦面设置光电探测器。光电探测器由多级不同直径的同心圆环组成，每级圆环接受不同偏离角度的光线，可反算出泥沙级配。同时，提前进行率定后，根据各级光电探测器得到的信号强度，可以使用经验关系得到相应粒径的浓度，因此激光衍射法能同时测量泥沙浓度与级配。目前全世界仅有Sequoia Scientific公司提供能用于野外实测的仪器，称为激光原位散射透射测量仪(laser in situ scattering and transmissometry，LISST)。实验室和野外测试表明，LISST的泥沙级配测量误差较大，在20％～40％左右。在泥沙浓度测量方面，由于光电探测器必须接收到足够的光才能得到可靠信号，因此LISST仅适用于0.1～10kg/m³的低浓度情况。同时，由于LISST的浓度测量依赖于经验关系，导致测量精度并不高。

声学检测法的原理与透射法、浊度法、光学反向散射法类似，只不过此时的信号源由光变为声波，所以声学检测法也只能得到泥沙浓度而不能得到泥沙级配。同时，虽然声波的反射强度随泥沙浓度而增加，但在其传播过程中则随浓度加大而衰减，因此，这类方法只能测量0.6～3.0kg/m³的浓度范围，使用范围非常有限。